Parallele Programmierung:
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| Vorheriger Titel: | Rauber, Thomas Parallele und verteilte Programmierung |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2007
|
| Ausgabe: | 2., neu bearb. und erw. Aufl. |
| Schriftenreihe: | eXamen.press
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Auch als Internetausgabe |
| Beschreibung: | X, 485 S. graph. Darst. |
| ISBN: | 9783540465492 |
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung. 1
1.1 Motivation . 1
1.2 Begriffe der Parallclverarbeitung . 4
1.3 Überblick. 6
2. Architektur paralleler Plattformen. 9
2.1 Überblick über die Prozessorentwickhmg. 10
2.2 Parallelität innerhalb eines Prozessorkerns. 14
2.3 Klassifizierung von Parallelrechncrn. 17
2.4 Speicherorganisation von Parallelrechnern. 20
2.4.1 Rechner mit physikalisch verteiltem Speicher. 21
2.4.2 Rechner mit physikalisch gemeinsamem Speicher. 25
2.4.3 Reduktion der Speicherzugriffszeiten. 28
2.5 Verbindungsnetzwerke .
2.5.1 Bewertungskriterien für Netzwerke . 34
2.5.2 Direkte Verbindungsnctzwerke. 37
2.5.3 Einbettungen. 43
2.5.4 Dynamische Verbindungsnetzwerke. 46
2.6 Routing- und Switching-Strategien. . . . . 53
2.6.1 Routiiigalgorithmcn . 53
2.6.2
2.6.3 Flusskontrollmechaiu'smen. 72
2.7 Caches und Speieherhierarchien. 73
2.7.1
2.7.2 Cache-Kohärenz. 84
2.7.3 Speicherkonsistenz. 92
2.8 Parallelität auf Threadebene. 98
2.8.1 Simultanes
2.8.2 Multicore-Prozessoren.100
2.9 Beispiele.104
2.9.1 Architektur des Intel Pentium 4.104
2.9.2 Architektur des Cell-Prozessors .107
2.9.3 IBM
3. Parallele Programmiermodelle. 113
3.1 Modelle paralleler Rechnersysteme. 114
3.2 Parallelisierung von Programmen. 117
3.3 Ebenen der Parallelität. 120
3.3.1 Parallelität auf Instruktionsebene. 120
3.3.2 Datenparallelität. 122
3.3.3 Parallelität in Schleifen . 123
3.3.4 Funktionsparallelität. 127
3.4 Explizite und implizite Darstellung der Parallelität . 128
3.5 Strukturierung paralleler Programme . 131
3.6 Datenverteilungen für Felder. 134
3.7 Informationsaustausch . 139
3.7.1 Gemeinsame Variablen. 133
3.7.2 Kommunikationsoperationen. 142
3.7.3 Parallele Matrix-Vektor-Multiplikation. 150
4. Laufzeitanalyse paralleler Programme .157
4.1 Leistungsbewertung von Rechnersystemen.157
4.1.1 Bewertung der CPU-Leistung.158
4.1.2 MIPS und MFLOPS.ICO
4.1.3 Leistung von Prozessoren mit Cachespeichern.161
4.1.4 Benchmarkprogramme.163
4.2 Parallele Leistungsmaße.167
4.3 Modellierung von Laufzeiten.172
4.3.1 Realisierung von Kommunikationsoperationen. 174
4.3.2 Konimunikationsoperationen auf dem Hyperwürfel. 180
4.3.3 Kommunikationsoperationen auf einem Baum. 189
4.4 Analyse von Laufzeitformeln. 193
4.4.1 Paralleles Skalarprodukt.194
4.4.2 Parallele Matrix-Vektor-Multiplikation.196
4.5 Parallele Berechnungsmodelle.198
4.5.1 PRAM-Modellc.198
4.5.2 BSP-Modell.200
4.5.3 LogP-Modell.203
5. Message-Passing-Programmierung.207
5.1 Einführung in
5.1.1 Einzeltransferoperationen. 210
5.1.2 Globale Konimunikationsoperationen . 224
5.1.3 Auftreten von
5.1.4 Prozessgruppen und Kommunikatoren . 239
5.1.5 Prozesstopologien. 245
5.1.6 Zeitmessung und Abbruch der Ausführung. 250
5.2 - Einführung in PVM . 251
5.2.1 Programmiermodell.251
5.2.2 Prozesskontrolle.252
5.2.3 Austausch von Nachrichten.255
5.2.4 Verwaltung von Prozes.sgruppen.257
5.3 Einführung in MPI-2.260
5.3.1 Prozesserzeugung und -Verwaltung.260
5.3.2 Einseitige Kommunikation.263
6. Thread-Programmierung .275
6.1 Einführung in die Programmierung mit
0.2 Prograinrniermodell und Grundlagen für Pthroads.281
6.2.1 Erzeugung und Verwaltung von Pthreads.285
0.2.2 Koordination von
6.2.3 Implementierung eines Taskpools.302
6.2.4 Parallelität durch
6.2.5 Realisierung eines Client-Server-Modells.312
6.2.6 Steuerung und Abbruch von
6.2.7
6.2.8 Prioritätsinversion.329
6.2.9 Thread-spezifische Daten.333
6.3 .lava-Threads.334
6.3.1 Erzeugung von
6.3.2 Synchronisation von
6.3.3 Signalmechanisums in Java.344
6.3.4 Erweiterte Java-Synchronisationsmuster.349
6.3.5
6.4 OpenMP.354
Ö.4.1 Steuerung der parallelen Abarbeitung.355
6.4.2 Parallele Schleife.358
6.4.3 Nichtiterative parallele Bereiche.362
6.4.4 Koordination von
6.5
6.5.1 UPC' Programmiermodell und Benutzung. . 372
6.5.2 Gemeinsame Felder.374
0.5.3 Speichcrkonsistenzmodelle von UPC.375
6.5.4 Zeiger und Felder in UPC.377
6.5.5 Parallele Schleifen in UPC.379
6.5.6 UPC Synchronisation.380
7. Lösung linearer Gleichungssysteme.383
7.1 Gauß-Elimiuation .384
7.1.1 Beschreibung der Methode.384
7.1.2 Parallele zeilenzyklische Implementierung.388
7.1.3 Parallele gesaiutzyklische Implementierung .392
7.1.4 Laufzoitanalyse der gesamtzyklischen Implementierung 398
7.2 Direkte Verfahren für Gleichungssysteme mit
7.2.1 Diskretisieruiig der Poisson-Glrichuiig.403
7.2.2 Lösung von Tridiagonalsystemen.409
7.2.3 Verallgemeinerung auf beliebige Bandmatrizen.420
7.2.4 Anwendung auf die Poisson-Gleichung .423
7.3 Klassische Iterationsverfahren.425
7.3.1 Beschreibung iterativer Verfahren .426
7.3.2
7.3.3 Parallele Realisierung des Gauß-Seidel-Verfahrens_432
7.3.4 Rot-Schwarz-Anordnung.436
7.4 Cholesky-Faktorisierung für climnbesetzte Matrizen.443
7.4.1 Sequentieller Algorithmus.444
7.4.2 Abspeichcrungsschemata für dünnbesetzte Matrizen . . 450
7.4.3 Implementierung für gemeinsamen Adressraum.453
7.5 Methode der konjugierten Gradienten.460
7.5.1 Beschreibung der Methode.461
7.5.2 Parallelisierung des CG-Verfahrens .463
Literatur .469
Index.477 |
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung. 1
1.1 Motivation . 1
1.2 Begriffe der Parallclverarbeitung . 4
1.3 Überblick. 6
2. Architektur paralleler Plattformen. 9
2.1 Überblick über die Prozessorentwickhmg. 10
2.2 Parallelität innerhalb eines Prozessorkerns. 14
2.3 Klassifizierung von Parallelrechncrn. 17
2.4 Speicherorganisation von Parallelrechnern. 20
2.4.1 Rechner mit physikalisch verteiltem Speicher. 21
2.4.2 Rechner mit physikalisch gemeinsamem Speicher. 25
2.4.3 Reduktion der Speicherzugriffszeiten. 28
2.5 Verbindungsnetzwerke .
2.5.1 Bewertungskriterien für Netzwerke . 34
2.5.2 Direkte Verbindungsnctzwerke. 37
2.5.3 Einbettungen. 43
2.5.4 Dynamische Verbindungsnetzwerke. 46
2.6 Routing- und Switching-Strategien. . . . . 53
2.6.1 Routiiigalgorithmcn . 53
2.6.2
2.6.3 Flusskontrollmechaiu'smen. 72
2.7 Caches und Speieherhierarchien. 73
2.7.1
2.7.2 Cache-Kohärenz. 84
2.7.3 Speicherkonsistenz. 92
2.8 Parallelität auf Threadebene. 98
2.8.1 Simultanes
2.8.2 Multicore-Prozessoren.100
2.9 Beispiele.104
2.9.1 Architektur des Intel Pentium 4.104
2.9.2 Architektur des Cell-Prozessors .107
2.9.3 IBM
3. Parallele Programmiermodelle. 113
3.1 Modelle paralleler Rechnersysteme. 114
3.2 Parallelisierung von Programmen. 117
3.3 Ebenen der Parallelität. 120
3.3.1 Parallelität auf Instruktionsebene. 120
3.3.2 Datenparallelität. 122
3.3.3 Parallelität in Schleifen . 123
3.3.4 Funktionsparallelität. 127
3.4 Explizite und implizite Darstellung der Parallelität . 128
3.5 Strukturierung paralleler Programme . 131
3.6 Datenverteilungen für Felder. 134
3.7 Informationsaustausch . 139
3.7.1 Gemeinsame Variablen. 133
3.7.2 Kommunikationsoperationen. 142
3.7.3 Parallele Matrix-Vektor-Multiplikation. 150
4. Laufzeitanalyse paralleler Programme .157
4.1 Leistungsbewertung von Rechnersystemen.157
4.1.1 Bewertung der CPU-Leistung.158
4.1.2 MIPS und MFLOPS.ICO
4.1.3 Leistung von Prozessoren mit Cachespeichern.161
4.1.4 Benchmarkprogramme.163
4.2 Parallele Leistungsmaße.167
4.3 Modellierung von Laufzeiten.172
4.3.1 Realisierung von Kommunikationsoperationen. 174
4.3.2 Konimunikationsoperationen auf dem Hyperwürfel. 180
4.3.3 Kommunikationsoperationen auf einem Baum. 189
4.4 Analyse von Laufzeitformeln. 193
4.4.1 Paralleles Skalarprodukt.194
4.4.2 Parallele Matrix-Vektor-Multiplikation.196
4.5 Parallele Berechnungsmodelle.198
4.5.1 PRAM-Modellc.198
4.5.2 BSP-Modell.200
4.5.3 LogP-Modell.203
5. Message-Passing-Programmierung.207
5.1 Einführung in
5.1.1 Einzeltransferoperationen. 210
5.1.2 Globale Konimunikationsoperationen . 224
5.1.3 Auftreten von
5.1.4 Prozessgruppen und Kommunikatoren . 239
5.1.5 Prozesstopologien. 245
5.1.6 Zeitmessung und Abbruch der Ausführung. 250
5.2 - Einführung in PVM . 251
5.2.1 Programmiermodell.251
5.2.2 Prozesskontrolle.252
5.2.3 Austausch von Nachrichten.255
5.2.4 Verwaltung von Prozes.sgruppen.257
5.3 Einführung in MPI-2.260
5.3.1 Prozesserzeugung und -Verwaltung.260
5.3.2 Einseitige Kommunikation.263
6. Thread-Programmierung .275
6.1 Einführung in die Programmierung mit
0.2 Prograinrniermodell und Grundlagen für Pthroads.281
6.2.1 Erzeugung und Verwaltung von Pthreads.285
0.2.2 Koordination von
6.2.3 Implementierung eines Taskpools.302
6.2.4 Parallelität durch
6.2.5 Realisierung eines Client-Server-Modells.312
6.2.6 Steuerung und Abbruch von
6.2.7
6.2.8 Prioritätsinversion.329
6.2.9 Thread-spezifische Daten.333
6.3 .lava-Threads.334
6.3.1 Erzeugung von
6.3.2 Synchronisation von
6.3.3 Signalmechanisums in Java.344
6.3.4 Erweiterte Java-Synchronisationsmuster.349
6.3.5
6.4 OpenMP.354
Ö.4.1 Steuerung der parallelen Abarbeitung.355
6.4.2 Parallele Schleife.358
6.4.3 Nichtiterative parallele Bereiche.362
6.4.4 Koordination von
6.5
6.5.1 UPC' Programmiermodell und Benutzung. . 372
6.5.2 Gemeinsame Felder.374
0.5.3 Speichcrkonsistenzmodelle von UPC.375
6.5.4 Zeiger und Felder in UPC.377
6.5.5 Parallele Schleifen in UPC.379
6.5.6 UPC Synchronisation.380
7. Lösung linearer Gleichungssysteme.383
7.1 Gauß-Elimiuation .384
7.1.1 Beschreibung der Methode.384
7.1.2 Parallele zeilenzyklische Implementierung.388
7.1.3 Parallele gesaiutzyklische Implementierung .392
7.1.4 Laufzoitanalyse der gesamtzyklischen Implementierung 398
7.2 Direkte Verfahren für Gleichungssysteme mit
7.2.1 Diskretisieruiig der Poisson-Glrichuiig.403
7.2.2 Lösung von Tridiagonalsystemen.409
7.2.3 Verallgemeinerung auf beliebige Bandmatrizen.420
7.2.4 Anwendung auf die Poisson-Gleichung .423
7.3 Klassische Iterationsverfahren.425
7.3.1 Beschreibung iterativer Verfahren .426
7.3.2
7.3.3 Parallele Realisierung des Gauß-Seidel-Verfahrens_432
7.3.4 Rot-Schwarz-Anordnung.436
7.4 Cholesky-Faktorisierung für climnbesetzte Matrizen.443
7.4.1 Sequentieller Algorithmus.444
7.4.2 Abspeichcrungsschemata für dünnbesetzte Matrizen . . 450
7.4.3 Implementierung für gemeinsamen Adressraum.453
7.5 Methode der konjugierten Gradienten.460
7.5.1 Beschreibung der Methode.461
7.5.2 Parallelisierung des CG-Verfahrens .463
Literatur .469
Index.477 |
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